大气监测网格化管理系统

一、背景介绍

2015年7月26日，国务院办公厅以国办发〔2015〕56号印发《生态环境监测网络建设方案》。该《方案》分为：

（1）总体要求；

（2）全面设点，完善生态环境监测网络；

（3）全国联网，实现生态环境监测信息集成共享；

（4）自动预警，科学引导环境管理与风险防范；

（5）依法追责，建立生态环境监测与监管联动机制；

（6）健全生态环境监测制度与保障体系。（共6部分20条）

主要目标是：到2020年，全国生态环境监测网络基本实现环境质量、重点污染源、生态状况监测全覆盖，各级各类监测数据系统互联共享，监测预报预警、信息化能力和保障水平明显提升，监测与监管协同联动，初步建成陆海统筹、天地一体、上下协同、信息共享的生态环境监测网络，使生态环境监测能力与生态文明建设要求相适应。

二、系统概述

智易时代环保网格化管理系统根据国家环境部门发布的《环境信息网络建设规范》（HJ460-2009）、《环境保护应用软件开发管理技术规范》（HJ622-2011）、《污染源在线自动监控监测系统数据传输标准2122005》、《环境污染源自动监控信息传输、交换技术规范》（HJ-T352-2007）等国家标准协议，以环境监测点位数据传感体系为基础，针对不同环境企事业单位需求，运用**的环保理论研究成果和信息技术，建立智能化环保网格在线监测系统数据平台。

平台数据中心可提供所属地区各监测点位数据的实时采集传输、实时监控空气环境质量，实现在线数据查询及报表统计、数据自动预警、环保信息综合分析、数据归集和排名反馈等，为环保的研究提供信息资源和手段，为环保业务管理提供统一的管理平台。

三、功能特点

3.1 WEB端

3.1.1 监测点位GIS地图在线显示

系统内所有监测点位按所属行政区域进行归类和展示，监测点位图标颜色按其当前空气质量指数AQI表示颜色动态显示，图标上方注有具体的地理位置，方便用户直观、一目了然掌握各个行政区域内监测点位的部署情况和空气环境质量现状，系统提供多种方式的地图效果（矢量、卫星、三维）来实时显示空气子站的位置和实时数据。

3.1.2 站点数据实时状态查看

用户点击监测点位图标后系统自动显示空气质量指数AQI、站点地理位置、首要污染物、发布时间、各项监测因子实时数据等信息，空气质量指数AQI数值与表示颜色搭配显示，直观展示站点当前污染情况，监测因子可以按照不同需求进行定制，显示时间段分为实时状态值、*近一小时值、*近24小时值等。

3.1.3 站点环境远程视频实时监控

监测现场可以安装视频监控设备，通过窗口视图直观了解监测站点的周边情况和污染物实时排放数据，当周围污染源浓度超标时自动抓拍，为公众和环保部门监督与执法提供依据，同时可以了解监测设备的实时状况。当数据异常提醒之后，可以通过回传影像资料判断现场情况（需人工进行），当发生不可抗力因素时，同样可以根据影像资料来判定事故详情。

3.1.4 预警、日报通知

系统提供预警、日报通知功能，预警包括超标预警、断线预警和异常值预警，在监测数值超标、数据连接中断和出现异常值时，自动给设定联系人发送提醒信息，保证系统的正常、稳定运行，日报通知将辖区内各个行政区空气质量指数日均值以短信形式发送给站点负责人或主管领导，让环境管理者及时掌握环境空气质量变化情况，在空气质量恶化时**时间知道详细信息。

3.1.5 数据图表展示

数据展示支持折线图、柱状图、表格等多种形式，展示的内容包括空气质量指数和各项监测因子浓度的分钟值、小时值，方便用户查看时间段内空气质量变化趋势和污染物浓度变化情况，同时可以进行监测点位之间的各项参数的对比分析，用户可以自主设定展示的时间区间，导出打印时支持选用JPG图片、PDF、EXCEL、WORD文档多种格式。

3.1.6 环境质量数据排名

针对相关环境管理部门以及用户个性化定制需求，系统设置独立排名系统，目前采用AQI（空气质量指数），提供日排名、小时排名数据，用户可以查询当天排名信息和历史数据，除了空气质量指数AQI外，还列出了PM10、PM2.5、CO等监测因子小时值、日均值、首要污染物、空气质量类别等信息。

3.1.7 AQI实时报、日报自动生成

按照HJ633-2012环境空气质量指数(AQI)技术规定要求，自动生成实时报、日报数据报表，发布的指标包括各监测站点的监测站点信息、空气质量指数（AQI）、首要污染物、空气质量指数类别以及空气质量指数说明等信息，可自动生成word、Excel、PDF多种格式格式的报表格式，日报格式如下表：

3.1.8 污染物来源分析

收集点位数据后，平台对各项污染物统计值进行计算分析，初步建立点位污染源模型（当前采用方法为首要污染物比重饼状图解析），如果监测点位条件允许，能够实现现场采样，则可以更加精确的进行污染物对比分析，通过各时间段污染物比重模型结合地区现状来分析具体污染源和现场实际情况，并提供针对性治理方案。

3.1.9 设备监控

系统可以实现实时监视在线监测仪器是否正常工作，数据上传是否正常，从而清楚设备的运行状况及运行进度，当前端数据采集设备或仪器出现故障时，系统自动提供报警信息方便站点负责人及时知晓，并采取相应的解决措施，保证系统的正常、稳定运行。

3.1.10 环境数据动态云图展示

由于区域间空气质量状况的差别，系统基于各个区域内监测数值实时以污染物浓度云图形式渲染这种差别，云图取每小时点位数值，颜色采用空气质量指数AQI表示颜色，实现由“点”到“面”全面展示大范围内空气质量状况。

（图案仅供参考）

3.1.11 空气质量、气象数据导出

系统提供空气质量、气象数据导出功能，用户在设置时间类型、站点、时间段以后即可实现数据导出，内容包括点位信息、数据更新时间、常规6参数浓度值、主要污染物、空气质量指数AQI。其中数据有效率按照国家标准进行计算，分钟值以后端数据传输判定为准，小时值以每小时收集45个分钟值为准，日均值以每天收集22个小时值为准，其余时间区间以日均值有效天数为准。

3.1.12 站点管理

用户在此模块可以实现监测点位信息的增、改、查、删等基本操作，点位信息包括监测点位名称、地址、经纬度、站点ID、所在区域名称等内容，实现点位信息的动态管理，区域与编号为锁定状态，可自行配置名称、经纬度、排名、公开、掉线预警等选项。

3.1.13 短信配置

此功能可以查看短信配置详情，添加条目可以新增加短信推送人员信息和发送内容，编辑选项可对接收短信用户推送内容进行管理操作，配置的信息内容包括预警信息、日报、状态预警、掉线预警，完成设置以后，列表中人员可以收到短信信息。

3.1.14 污染物浓度预警

一旦空气质量状况出现异常波动时，系统启动超标报警。此功能中分数据上下限与预警上下限，数据上下限为数据有效性判定标准值，超过界限的则被判定为无效。预警上下限为当监测因子不在设定值范围内一定时间之后，则会发送预警短信。

选择站点便捷，将预警上下限设定临界值，即可使用预警功能（0为默认）。

3.1.15 数据修约

此功能可对程序中未拣出的有误数据进行人工修正，点击数据修约选项即可进行修正，当值被设定为无效时，数据被拣出，不参与统计运算。（因系统计算规则因素，只可提供分钟值与小时值的修约功能，目前只开放分钟值修约）

3.1.16 用户管理

对于不同的角色设置相应权限管理，一个角色关联了一套操作权限。系统共提供了三种操作权限。系统用户：拥有系统的所有功能操作权限；管理用户：拥有部分业务相关的功能操作权限；普通用户：只能进行系统中相关内容的查询操作，实现不同级别操作人员对数据访问范围和数据读写性的严格控制，建立统一用户管理平台实现所有用户的身份管理，包括用户个人身份信息、角色信息、电子邮箱、个人账号和密码。

3.2 用户APP

手机版发布系统支持Android、IOS等主流的手机操作系统，系统界面简洁、大方，易于操作。发布各个监测站点的PM2.5、PM10、SO₂、NO₂、O₃、CO小时、日均、月均浓度值，提供查看辖区内各站点空气质量排名功能，并绘制过去24小时的浓度曲线图。发布城市、区域的环境质量AQI、首要污染物、环境质量指数类别、环境质量指数说明以及健康提示等信息。按照《HJ633-2012环境质量指数(AQI)技术规定》，根据环境质量AQI进行颜色标识。

3.3.2.1 用户权限控制

根据用户级别不同，分别设定不同权限，普通用户登入后只可查看账号所属站点详情，以管理员身份登入之后，则可查看全部点位状况与其均值显示。

3.3.2.2 数据查看与分析

主界面可查看权限范围内点位数据详情，点击不同监测因子所在方格，下方折线图则对应显示其*近24小时内污染因子变化情况。

3.3.2.3 GIS地理信息显示

点位状况与web端同步，获取坐标信息后即可在地图上显示，支持当前总体数据情况与单项指数切换，污染指数根据等级不同以不同颜色显示。

如果点位信息过多时，可切换至列表进行搜索，一目了然，快捷高效。

3.3.2.4 历史数据查询

移动端在web端基础上提供简单的查询功能，该模块按照权限不同所属辖区不同，可以查看站点*近24小时、或*近30天、或*近12个月，综合指数或者分项指数的均值状况。

3.3.2.5 环境质量指数排名查看

移动端可以便捷的为环境管理人员提供服务，管理者账号登录后，开放排名信息功能，提供当日辖区内站点排名，明确污染方向。

3.3.2.6 系统设置、功能标准、预警处理

辅助功能全部归集于侧边栏内，APP向用户推送通知，个人设置中可以设置是否接收消息、提醒方式等。

四、平台架构与系统工作原理

4.1 环境数据采集

监听服务器使用公网固定IP，监测仪器发送数据至此IP地址对应端口，系统自动采集并通过内置协议将字符串解析为需要的信息，实现数据包的校验、检查、解析和入库（数据存储），采用多线程异步通信技术与各监测点通信，可查看原始数据，实现数据同步转发。

当监测点位断线或者出现异常时，线程保留五分钟对接期，五分钟之内不上传数据系统关闭线程，降低占用率，直至重新连接再次打开。

4.2 环境数据存储

数据库服务器对接收到的环境数据进行整体规划，对环保业务涉及的众多数据资源进行科学合理的分类，在此基础上建立数据体系和数据库体系，形成基础数据库、专业数据库、元数据库和标准数据库。

由于环境大数据的保密性，数据库服务器需要关闭公网服务和外接端口，与监听服务器接入同一局域网，使用内网IP。监听服务器解析完成后，通过局域网将数据存储至此。数据库定期备份、定期杀毒、定期更新软件服务与相关插件，以保证存储数据的安全。

4.3 环境数据分析处理

中心服务器针对各项数据库进行数据管理，严格按照相关法律法规及环保行业规定进行统计分析运算处理，得出***标准的环境数值。统计功能支持根据原始值值计算小时值、日报、月报、年报等。分析功能包括，对大气、水质、烟气等不同行业进行规则整合判断、如烟尘，烟气的含量跟氧气关系，COD与浊度及溶解氧的关系等高级功能，根据用户需求定制开发。

经过算法运行生成数据模型，实现系统建模分析的关键功能。

4.4 环境数据报表生成与排名

中心服务器生成各项报表后，根据空气质量指数从低到高进行排名，指数越低排名越靠前。支持总体排名、区域排名、单站点排名。服务器与EXCEL报表、WORD文档、JPG图片、PDF等接口进行对接，使前端页面可以顺利导出打印。

4.5 环境监测指标预警

预警服务器中置入交互模块，每30分钟采集监测子站的运行状态、设备状态、监测数据，对服务器进行信息交互传输、读取操作日志，连续两次出现异常，系统启用预警提醒。同时可以将监测因子标准接入检测程序中，如果超标或者出现恒值，则提示相关人员并将信息传输至前置服务器。所有预警信息在前端页面展示。

4.6 CMAQ空气质量模型建模分析

CMAQ是美国国家环境保护局研制的第三代空气质量预报和评估系统(Models-3)。系统采用灵活的模块化思想，由气体模式、污染排放模式、空气质量模式组成。基于CMAQ的空气质量模拟过程可实现设置可视化和运行自动化，以准确的MM5气象场数据、污染排放清单数据为基础，运用CMAQ模型，实现空气质量预报结果的自动生成，并支持对结果的核对统计与对比分析，减少人工操作，通过适量定制化开发，可以作为区域臭氧、能见度、酸沉降等过程的整合应用平台。

4.7 环境质量趋势预判

中心服务器处理数据，结合实际数据建立源解析模型，结合天气系统分析环境质量趋势。充分利用积累的海量监测数据，结合环境空气污染指数法(API)、环境空气综合污染指数法、主要污染物污染物浓度评价法、污染变化趋势的定量分析方法-秩相关系数法等方法，对区域内空气质量状况和变化趋势进行综合分析和预判。

五、系统硬件构成

1、 环境指标监测仪器子站

2、 GPS子站定位模块

3、 数据采集设备

4、 无线传输设备

5、 数据监听前置服务器

6、 数据库服务器

7、 WEB应用服务器